Принцип действия и устройство ядерного (атомного) реактора

Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.

Содержание

• Первый ядерный реактор
• Типы ядерных реакторов
• Как устроен реактор
• Как работает реактор
• Что произошло на Чернобыльской АЭС
• Реакторы нового поколения
  • Брест
  • ВВЭР-1200

Принцип работы ядерного (атомного) реактора.

Как и что заставляет работать ядерный реактор, устройство и схема кратко

Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.

Градирни АЭС

Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.

Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово «ядерный». Сейчас существует множество типов ядерных реакторов. Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах. Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.

Реактор

История создания атомного реактора

Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали «Чикагской поленницей».

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Первый в мире ядерный реактор

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232).  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Цепная реакция

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он — кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.

Ядерное топливо

Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании. Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Ядерный реактор | Определение, история и компоненты

ядерный реактор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Вернер Гейзенберг
Игорь Васильевич Курчатов
Хайман Дж. Риковер
Фредерик Жолио-Кюри
Ирен Жолио-Кюри

Похожие темы:

термоядерный реактор
реактор-размножитель
ЗОЭ
экранирование
ядерное топливо

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

ядерный реактор , любое из класса устройств, которые могут инициировать и контролировать самоподдерживающуюся серию ядерных делений. Ядерные реакторы используются в качестве исследовательских инструментов, в качестве систем для производства радиоактивных изотопов и, прежде всего, в качестве источников энергии для атомных электростанций.

Принцип работы

Ядерные реакторы работают по принципу ядерного деления, процесса, при котором тяжелое атомное ядро ​​расщепляется на два меньших фрагмента. Ядерные фрагменты находятся в очень возбужденном состоянии и испускают нейтроны, другие субатомные частицы и фотоны. Испущенные нейтроны могут затем вызвать новые деления, которые, в свою очередь, дадут больше нейтронов и так далее. Такая непрерывная самоподдерживающаяся серия делений представляет собой цепную реакцию деления. При этом выделяется большое количество энергии, и эта энергия является основой ядерных энергетических систем.

В атомной бомбе цепная реакция предназначена для увеличения интенсивности до тех пор, пока большая часть материала не расщепится. Это увеличение происходит очень быстро и приводит к чрезвычайно быстрым, чрезвычайно энергичным взрывам, характерным для таких бомб. В ядерном реакторе цепная реакция поддерживается на контролируемом, почти постоянном уровне. Ядерные реакторы устроены так, что они не могут взорваться, как атомные бомбы.

Большая часть энергии деления — примерно 85 процентов — высвобождается в течение очень короткого времени после того, как процесс произошел. Остальная часть энергии, произведенной в результате события деления, поступает от радиоактивного распада продуктов деления, которые представляют собой осколки деления после испускания ими нейтронов. Радиоактивный распад — это процесс, при котором атом достигает более стабильного состояния; процесс распада продолжается даже после прекращения деления, и его энергия должна учитываться в любой правильной конструкции реактора.

Britannica Quiz

Знаете ли вы, какой афроамериканский изобретатель создал какой продукт?

Кто изобрел противогаз? Кто изобрел первую форму домашней системы безопасности? Проверьте свои знания. Пройди тест.

Ход цепной реакции определяется вероятностью того, что нейтрон, выделившийся при делении, вызовет последующее деление. Если количество нейтронов в реакторе уменьшится за определенный период времени, скорость деления уменьшится и в конечном итоге упадет до нуля. В этом случае реактор будет находиться в так называемом подкритическом состоянии. Если с течением времени популяция нейтронов поддерживается с постоянной скоростью, скорость деления останется постоянной, и реактор будет находиться в так называемом критическом состоянии. Наконец, если популяция нейтронов со временем будет увеличиваться, скорость деления и мощность увеличатся, и реактор окажется в сверхкритическом состоянии.

Перед запуском реактора нейтронная популяция близка к нулю. Во время пуска реактора операторы удаляют управляющие стержни из активной зоны, чтобы способствовать делению в активной зоне реактора, фактически временно переводя реактор в сверхкритическое состояние. Когда реактор приближается к номинальному уровню мощности, операторы частично вставляют регулирующие стержни, со временем уравновешивая количество нейтронов. В этот момент реактор поддерживается в критическом состоянии, или в так называемом стационарном режиме. Когда реактор должен быть остановлен, операторы полностью вставляют регулирующие стержни, препятствуя возникновению деления и переводя реактор в подкритическое состояние.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Управление реактором

Обычно в ядерной промышленности используется параметр реактивности, который является мерой состояния реактора по отношению к тому состоянию, в котором он находился бы, если бы находился в критическом состоянии. Реактивность положительна, когда реактор находится в сверхкритическом состоянии, равна нулю при критичности и отрицательна, когда реактор находится в подкритическом состоянии. Реактивность можно контролировать различными способами: добавляя или удаляя топливо, изменяя соотношение нейтронов, выходящих из системы, к тем, которые остаются в системе, или изменяя количество поглотителя, конкурирующего с топливом за нейтроны. В последнем методе количество нейтронов в реакторе регулируется путем изменения поглотителей, которые обычно имеют форму подвижных регулирующих стержней (хотя в менее распространенной конструкции операторы могут изменять концентрацию поглотителя в теплоносителе реактора). С другой стороны, изменения утечки нейтронов часто происходят автоматически. Например, увеличение мощности приведет к уменьшению плотности теплоносителя реактора и, возможно, к его закипанию. Это уменьшение плотности теплоносителя увеличит утечку нейтронов из системы и, таким образом, снизит реактивность — процесс, известный как отрицательная обратная связь по реактивности. Утечка нейтронов и другие механизмы отрицательной обратной связи реактивности являются жизненно важными аспектами конструкции безопасного реактора.

Типичное взаимодействие деления происходит порядка одной пикосекунды (10 ⁻¹² секунды). Эта чрезвычайно высокая скорость не дает оператору реактора достаточно времени, чтобы наблюдать за состоянием системы и реагировать соответствующим образом. К счастью, управлению реактором помогает присутствие так называемых запаздывающих нейтронов, которые представляют собой нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время после того, как произошло деление. Концентрация запаздывающих нейтронов в любой момент времени (чаще называемая эффективной долей запаздывающих нейтронов) составляет менее 1 процента от всех нейтронов в реакторе. Однако даже этого небольшого процента достаточно, чтобы облегчить мониторинг и контроль изменений в системе и безопасно регулировать работающий реактор.

Как работает ядерный реактор

// Как работает ядерный реактор?

Ядерные реакторы — это, по сути, большие котлы, которые используются для нагрева воды для производства огромного количества электроэнергии с низким содержанием углерода. Они бывают разных размеров и форм и могут работать на различных видах топлива.

Атомная электростанция Ringhals с четырьмя реакторами, способными обеспечить 20 % потребности Швеции в электроэнергии (Изображение: Vattenfall)

Ядерный реактор приводится в действие расщеплением атомов, процессом, называемым делением, когда частица («нейтрон») выстреливается в атом, который затем делится на два меньших атома и несколько дополнительных нейтронов. Некоторые из нейтронов, которые высвобождаются, затем попадают на другие атомы, заставляя их тоже делиться и высвобождая больше нейтронов. Это называется цепной реакцией.

Деление атомов в цепной реакции также приводит к высвобождению большого количества энергии в виде тепла. Вырабатываемое тепло отводится из реактора циркулирующей жидкостью, обычно водой. Затем это тепло можно использовать для производства пара, который приводит в действие турбины для производства электроэнергии.

Чтобы гарантировать, что ядерная реакция протекает с нужной скоростью, в реакторах есть системы, ускоряющие, замедляющие или останавливающие ядерную реакцию и выделяемое ею тепло. Обычно это делается с помощью регулирующих стержней, которые обычно изготавливаются из материалов, поглощающих нейтроны, таких как серебро и бор.

Два примера ядерного деления урана-235, наиболее часто используемого топлива в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы бывают разных форм и размеров: в некоторых для охлаждения активной зоны используется вода, в других – газ или жидкий металл. Наиболее распространенные типы энергетических реакторов используют воду с более чем 90% мировых реакторов на водной основе. Дополнительную информацию о множестве различных типов реакторов по всему миру можно найти в разделе «Атомные энергетические реакторы» Информационной библиотеки.

Ядерные реакторы очень надежны в выработке электроэнергии, способны работать 24 часа в сутки в течение многих месяцев, если не лет, без перерыва, независимо от погоды и времени года. Кроме того, большинство ядерных реакторов могут работать очень долго — во многих случаях более 60 лет. В 2019 году, блоки 3 и 4 на АЭС «Турки-Пойнт» во Флориде стали первыми в мире реакторами, срок эксплуатации которых составляет 80 лет.

Заправка реактора (Изображение: Vattenfall)

Что питает реактор?

В качестве топлива для реактора может использоваться ряд различных материалов, но чаще всего используется уран. Уран в изобилии, и его можно найти во многих местах по всему миру, в том числе в океанах. Можно использовать и другие виды топлива, такие как плутоний и торий.

Большинство современных реакторов содержат несколько сотен тепловыделяющих сборок, каждая из которых содержит тысячи маленьких таблеток уранового топлива. Одна пеллета содержит столько же энергии, сколько содержится в одной тонне угля. Типичный реактор требует около 27 тонн свежего топлива в год. Напротив, угольной электростанции аналогичного размера потребуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.

Таблетки ядерного топлива ненамного больше кусочка сахара (Изображение: Казатомпром)

Как насчет отходов?

Как и любая отрасль, атомная промышленность производит отходы. Однако, в отличие от многих других отраслей, ядерная энергетика производит очень мало энергии и полностью содержит и управляет тем, что производит. Подавляющее большинство отходов атомных электростанций не очень радиоактивны, и в течение многих десятилетий они ответственно относились к обращению и утилизации.